Алексей Ручай и Людмила Лебедева о современных методах селекции и репродуктивных технологий для животноводства

// Алексей Ручай: «Наши исследования нацелены на уменьшение стресса животных, возникающего при традиционных методах оценки»

Сегодня наука играет ключевую роль в повышении эффективности сельского хозяйства. Ученые применяют редактирование генов для улучшения свойств растений и животных, чтобы повысить их устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды и увеличить продуктивность. Изучают микробные сообщества почвы и кишечника животных, что позволяет разрабатывать биопрепараты и корма, усиливающие иммунитет и ускоряющие рост.

Беспилотники и спутники позволяют оценивать состояние посевов, уровень влаги и питательных веществ, помогая применять удобрения и воду точечно и эффективно. Кроме того, в отрасли активно применяются большие данные и аналитика для точного прогнозирования урожая, рисков болезней и вредителей, что минимизирует потери и снижает потребность в химикатах. И это лишь часть примеров.

Участники проекта на пастбище. Источник: Алексей Ручай

Особую роль стали играть методы машинного обучения, которые используются для анализа огромных массивов данных, полученных в результате полногеномного SNP-генотипирования. SNP (Single Nucleotide Polymorphism) означает однонуклеотидный полиморфизм — различия в нуклеотидах, элементов ДНК, между отдельными особями. Обычно разница проявляется заменой одного нуклеотида другим в определенном участке генома. Такие изменения могут влиять на внешний вид, здоровье, продуктивность и многие другие признаки животных. Суть полногеномного SNP-генотипирования сводится к процедуре, в ходе которой ученые определяют последовательность множества SNP в геноме животного. Благодаря современным технологиям, таким как ДНК-микрочипы высокой плотности, исследователи могут проверить сотни тысяч и даже миллионы SNP сразу, охватывая весь геном организма.

В свою очередь, современные вычислительные методы позволяют искать закономерности и ассоциации между SNP и интересующими признаками, такими как продуктивность, устойчивость к болезням, плодовитость и многое другое. Используя SNP-данные и модели машинного обучения, можно заранее предсказывать будущие характеристики животного еще до того, как оно достигнет зрелости, или находить связи между определенными SNP и конкретными признаками, например какой участок генома влияет на производительность молока. Также модели машинного обучения способны автоматически выделять сходства и различия между разными группами животных, облегчая сортировку и отбор особей для конкретных целей.

В последние годы произошли существенные изменения и открытия, которые оказали сильное влияние на нашу область исследований, связанную с разработкой новых подходов к прижизненной оценке крупного рогатого скота путем 3D-визуализации хозяйственно-биологических и генетических особенностей животных. 

Прогресс в развитии алгоритмов машинного обучения, особенно глубоких нейронных сетей, позволил значительно улучшить точность и надежность методов анализа изображений и 3D-визуализации. Эти технологии стали незаменимым инструментом для автоматической оценки характеристик животных и прогнозирования их продуктивности. Например, мы можем определять упитанность и внешние характеристики животного по 3D-моделям, что уменьшает зависимость от субъективных мнений и ускоряет процесс бесконтактной оценки животных.

Фракции крови коров в пробирках из центрифуги. Источник: Алексей Ручай

Появились более доступные и высокоточные датчики и камеры, способные собирать высококачественные 3D-данные о животном. Использование лазерных сканеров и RGB-D камер, способных определять расстояние от сенсора до объектов, добавляя третье измерение к каждому кадру, стало обычным делом в нашей работе. Эти и другие устройства обеспечивают надежные результаты даже в условиях нестабильного освещения и быстрых движений животных.

Многие фермерские хозяйства начинают активно использовать цифровые устройства и программное обеспечение для мониторинга состояния животных. Это создает предпосылки для широкого внедрения наших методов и техник оценки животных в реальной практике, что в конечном счете повысит рентабельность и эффективность животноводства.

Рамка для съемки 3D-модели животного. Источник: Алексей Ручай

Кроме того, разработаны стандартные протоколы для анализа 3D-данных и формирования общих библиотек, содержащих информацию о животных. Такие библиотеки упрощают сравнительный анализ и способствуют обмену информацией между лабораториями и центрами по всему миру.

Растет осознание важности гуманного обращения с животными и экологической ответственности в животноводстве. Наши исследования нацелены на обеспечение благополучия животных, уменьшение стресса и боли, возникающих при традиционных методах оценки.

Важно и то, что генетика и 3D-визуализация все чаще интегрируются в учебные курсы университетов и колледжей, которые готовят ветеринаров, зоотехников и агрономов. Молодые специалисты получают необходимую подготовку для понимания и использования новейших технологий в своей профессиональной деятельности.

В рамках проекта, поддержанного РНФ, мы стремимся создать эффективный и точный метод оценки животных с использованием технологий 3D-визуализации и геномного анализа. Наша задача — объединить традиционные подходы, такие как морфометрия, фенотипирование и генотипирование, с новыми возможностями, предоставляемыми современной техникой и математическими моделями. Важно убедиться, что созданные технологии подходят для реального использования на фермах и соответствуют стандартам индустрии. Для этого запланированы пилотные испытания в реальных хозяйствах для подтверждения практической пользы наших решений.

Наша группа собрала большую коллекцию 3D-изображений и геномных данных крупного рогатого скота. Этот банк данных стал уникальной базой для последующих исследований и отправной точкой для дальнейших разработок. Через полногеномные ассоциативные исследования (GWAS) мы выявили ряд генетических вариантов, которые сильно влияют на продуктивность животных. Эти данные будут полезны при селекции и выборе лучших особей для размножения.

Источник: Алексей Ручай

Мы ведем разработку рабочего прототипа программы, которая автоматически оценивает упитанность и продуктивность животных по 3D-изображениям и геномным данным. Программа должна пройти начальные стадии тестирования. Сейчас мы ведем переговоры с крупными игроками рынка животноводства о формах сотрудничества.

Несмотря на имеющийся задел, впереди много работы. Нужно завершить проверку точности методов в реальных условиях, начать активное продвижение технологии. Продолжается работа по увеличению объема базы данных и углубленному исследованию найденных генетических маркеров. Мы уверены, что технология станет востребованной и популярной среди профессионалов отрасли.

Алгоритмы машинного обучения прочно вошли в нашу жизнь. Мы ожидаем, что их использование станет повсеместным. Это увеличит точность оценки животных, улучшит селекционные процессы и снизит риски потерь вследствие ошибок в отборе животных.

Современные тенденции указывают на то, что датчики, роботы и умные системы управления фермами станут нормой в сельском хозяйстве. Животных будут регулярно проверять системы видеонаблюдения, оснащенные функцией 3D-визуализации и анализа, что сделает наше исследование частью стандартной практики.

Этические нормы и требования охраны окружающей среды повышают важность гуманных методов оценки и заботы о животных. В будущем появятся более чувствительные и информативные методы оценки, минимизирующие стресс и дискомфорт животных.

Также следует ожидать, что в ближайшее время появятся готовые решения для коммерческих хозяйств, основанные на наших и других подобных исследованиях. Это откроет широкие возможности для бизнеса и создаст спрос на профессиональные кадры и компетенции.

// Людмила Лебедева: «Современные методы селекции позволяют быстро и эффективно получать эмбрионы от ценных животных с нужными качествами»

Мы — единственный отраслевой институт в стране, который занимается исключительно вопросами развития отечественного коневодства. Специалисты ведут учет всех российских племенных лошадей по 17 заводским породам, проводят их оценку, генетическую идентификацию и контроль происхождения,  готовят и выпускают государственные племенные книги и паспорта, занимаются продуктивным и массовым коневодством, а также выполняют научные исследования в области генетики, селекции, физиологии размножения, криобиологии, кумысоделия и даже цифровизации в селекционном процессе. В институте существует ценнейшая библиотека с раритетами ХVIII века и трудами отечественных ученых-иппологов. К слову, в этом году ВНИИКу исполняется 95 лет.

Главный объект наших исследований — это лошадь, удивительное во всех отношениях животное, обладающее силой, резвостью, выносливостью, красотой, грацией и даже интеллектом. Это далеко не полный перечень достоинств. Помимо продуктивного направления, связанного с производством мяса, молока или кумыса, основным селекционируемым признаком остается  работоспособность, что отличает лошадей от других видов сельскохозяйственных животных. Достаточно вспомнить классические виды конного спорта, гладкие скачки, рысистые бега, драйвинг, поло, дистанционные пробеги, испытания тяжеловозов, досуговые верховые прогулки, конные шоу. Все это существенно обогащает и украшает жизнь человека.

Людмила Лебедева проводит процедуру ИКСИ. Источник: Людмила Лебедева

Селекционное совершенствование в животноводстве подразумевает повышение продуктивности и качества сельскохозяйственных животных с помощью комплекса мер. Среди них — традиционные методы селекции, то есть отбор особей по селекционируемым признакам, подбор пар, чистопородное разведение по линиям и маточным семействам, скрещивание на основе зоотехнического учета. Кроме того, в животноводстве появляются новейшие клеточные и молекулярно-генетические технологии, которые позволяют вести отбор высокоценных сельскохозяйственных животных еще на стадии половых клеток и эмбрионов, в разы ускоряя селекционный прогресс. Реальностью становится направленная модификация, то есть редактирование генома для получения животных с заданными хозяйственно-полезными признаками. 

Все эти методы неразрывно связаны с репродуктивными биотехнологиями, такими как искусственное осеменение (ИО), трансплантация эмбрионов (ТЭ), экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО), в том числе ИКСИ (интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида в яйцеклетку), клонирование, предимплантационная генетическая диагностика (ПГД), посредством которых получают живых особей. В этом же ряду стоит цифровизация и анализ больших массивов данных. Они позволяют прогнозировать селекционные признаки у потомков на основе направленного подбора родительских пар. 

Сегодня можно в кратчайшие сроки произвести эмбрионы от ценных животных с нужными качествами, причем в гораздо большем количестве, чем естественным путем, выявить наследственные заболевания и определить пол на начальных стадиях эмбрионального развития, получить потомство от бесплодных или умерших особей через клонирование, а также внедрить в геном определенные гены, кодирующие те или иные хозяйственно-полезные признаки. 

В 2023 году мы выиграли грант РНФ под руководством академика Валерия Калашникова. Благодаря поддержке мы смогли создать и запустить новую ИКСИ-лабораторию, начав работать с новейшими репродуктивными технологиями на собственном оборудовании. Санкции не позволили обучить сотрудников за рубежом, пришлось осваивать методики самим и учиться у коллег-медиков и репродуктологов, работающих с гаметами коров и свиней. 

Из-за проблемы поставки импортных сред и расходных материалов возникла необходимость перейти на собственные среды и материалы. Выбор пал на фолликулярную жидкость (ФЖ) кобыл. Это полезный ресурс и источник информации о внутренних процессах созревания ооцитов и оплодотворения, вполне доступный для изучения. Поэтому в качестве научной составляющей был сделан упор на всестороннее исследование ФЖ. Мы изучили ее биохимический, гормональный, антиоксидантный состав, воспалительные и апоптотические факторы на разных стадиях созревания фолликулов. Благодаря этой работе мы получили очень интересные результаты и сегодня ставим опыты по созреванию ооцитов в средах собственного приготовления, в том числе с фолликулярной жидкостью. Также начаты  эксперименты по криоконсервации ооцитов. Это трудная задача, особенно при работе с лошадьми, до конца не решенная даже за рубежом.

Источник: Издательство «Редколлегия» 

Еще один сложнейший аспект связан с подготовкой сперматозоидов к оплодотворению in vitro. Проблема в том, что все предшествующие разработки и современные исследования нашей лаборатории, в которых значатся и мировые приоритеты, были направлены на замедление жизнедеятельности спермиев для удлинения срока хранения материала. А для целей ИКСИ и ЭКО, наоборот, нужна гиперактивация спермиев. Пришлось начинать работу с нуля, в том числе в части использования свежего и замороженного семени. Сейчас мы готовим заявку на изобретение по технологии обработки спермы для ЭКО и ИКСИ. 

Третий аспект работы связан с трансплантацией полученных in vitro эмбрионов (IVP). Это особенно ценный материал, требующий максимально тщательного подхода, в том числе в части подготовки кобыл-реципиентов. Мы разработали усовершенствованную схему комплексной гормональной обработки кобыл перед пересадкой IVP–эмбрионов. Сейчас мы также готовимся к освоению метода клонирования животных.

Самый главный итог нашей работы — это высокая приживаемость эмбриона, полученного методом ЭКО с использованием собственных наработок. Надеемся на ее благополучный исход и ждем появления на свет ценного жеребенка.

Вспомогательные репродуктивные технологии (ВРТ) — одна из самых  быстро развивающихся областей в разведении домашних животных. Интересно, что в начале эксперименты проводили на лабораторных и домашних животных, а затем переносили на людей. Сейчас все наоборот. Нам приходится догонять достижения репродуктивной медицины, мы адаптируем среды и методики для лошадей, модифицируем оборудование и расходные материалы под крупных животных со своей анатомической и физиологической спецификой. Серьезное отставание от Запада, накопившееся за почти 20 лет стагнации и выживания коневодства в условиях перехода к рыночной экономике, постепенно сокращается, однако без помощи государства отрасли не выйти из этого пике.  

Зарубежные коллеги прошли сложный путь с привлечением огромных вложений в коннозаводство, просветительские кампании, коммерциализацию создания IVP–эмбрионов под заказ, налаживание производства оборудования, инструментов и сред для эмбрио-технологий, развитие логистики для перевозки семени, ооцитов и эмбрионов по всему миру. И все это на фоне высокоразвитой индустрии конепроизводства, ипподромного, спортивного, рекреационного и шоу–бизнеса. Зарубежный опыт показывает: при грамотной экономической политике отрасль способна приносить существенный доход государству. Ежегодный вклад племенного, ипподромного и спортивного коннозаводства в экономику Европы измеряется миллиардами евро. 

Думаю, нет необходимости искать собственный путь в популяризации вспомогательных репродуктивных технологий в российском коннозаводстве. За рубежом умеют считать деньги и налаживать бизнес. Остается нарабатывать опыт и внедрять результаты в отечественной индустрии. К сожалению, сегодня использование ВРТ в коневодстве — удел энтузиастов, которые подчас не знают о существовании российских специалистов-репродуктологов и пользуются услугами зарубежных, либо просто покупают высококлассных лошадей в Европе и Америке, фактически инвестируя значительные средства в иностранные экономики.

Необходимо прежде всего выйти на уровень эффективности зарубежных репродуктивных центров и создать систему полного цикла выращивания высококлассных лошадей с кластерами кобыл-доноров ооцитов и эмбрионов, поголовья реципиентов, в том числе напрокат, а также выращивания и начальной заездки молодняка с соответствующими условиями кормления, содержания и ветеринарного обслуживания.

При выполнении этих задач нас ждет расцвет и широкое внедрение искусственных репродуктивных методов в систему  разведения лошадей и дальнейшее совершенствование ВРТ в коневодстве России. Думаю, что упор в практике будет сделан на производство IVP–эмбрионов методами ЭКО и ИКСИ, предимплантационную диагностику, определение пола будущего жеребенка, и, возможно, клонирование. Будут поддержаны проекты создания  биоколлекций с генетическим материалом  выдающихся лошадей. Вероятно, исследования будут развиваться в направлении терапевтического клонирования и геномного редактирования.